Примеры типичных приложений цифрового управления
Примеры цифрового управления встречаются везде, начиная от товаров массового спроса и до высокотехнологичной продукции. Сегодня в самом обычном автомобиле компьютеры применяются для управления как зажиганием и составом бензиновой смеси, так и температурой в пассажирском салоне. Даже настройка приемника не доверяется водителю, а управляется микропроцессором, который иногда не упрощает, а наоборот, усложняет жизнь.
На первый взгляд может показаться, что системы управления химическим производством или движением на крупной железнодорожной станции имеют мало общего с роботами для окраски автомобилей или с бортовым компьютером космического корабля. Однако во всех этих системах имеются одинаковые функциональные блоки — сбор данных, управляемые таймером или прерываниями функции, контур обратной связи, обмен данными с другими компьютерами и взаимодействие с человеком-оператором.
В общем случае система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.4):
управляющей ЭВМ;
каналов обмена информацией;
аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);
датчиков и исполнительных механизмов;
собственно физического/технического процесса
Рис.1.1 Основная структура системы цифрового управления процессом
Физический процесс контролируется с помощью датчиков, т. е. устройств, преобразующих физические параметры процесса (температуру, давление или координаты) в электрические величины, которые можно непосредственно измерить (сопротивление, ток или разность потенциалов). Примерами датчиков являются термисторы (датчики температуры), концевые выключатели и ультразвуковые микрофонные зонды. Непосредственное влияние на процесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Последние преобразуют электрические сигналы в физические воздействия, главным образом движение — перемещение и вращение, которые можно использовать для других целей, например для открытия клапана. Примерами исполнительных механизмов могут служить сервомоторы, гидроклапаны и пневматические позиционирующие устройства.
Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой форме, поэтому полученные в результате измерений электрические аналоговые величины необходимо обработать с помощью АЦП. Обратная операция — управление исполнительными механизмами (электромоторами и клапанами) — несколько проще, поскольку компьютер может непосредственно вырабатывать электрические сигналы.
Информация от удаленных объектов через каналы связи поступает к центральному управляющему компьютеру, который:
интерпретирует все поступающие от физического процесса данные;
принимает решения в соответствии с алгоритмами программ обработки;
посылает управляющие сигналы;
обменивается информацией с человеком-оператором и реагирует на его команды.
Вычислительная техника применяется и в отраслях, имеющих другой характер производства, в частности в химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и т. п. Разные технологические процессы обычно взаимосвязаны, и между ними постоянно перемещаются значительные материальные потоки. Такие производства, как правило, носят непрерывный характер, поэтому важнейшим фактором является надежность. Кроме того, обычно число измеряемых переменных очень велико, масштаб времени процессов в рамках одного предприятия составляет от нескольких секунд до нескольких дней, а территория может иметь значительные размеры. При высоких капитальных вложениях и стоимости материалов даже небольшие изменения параметров производства и показателей качества существенно влияют на экономику предприятия и конкурентоспособность продукции. Поэтому качество компьютерных систем управления имеет решающее значение.
Однако нельзя забывать и о другом. Автоматизация означает не только фантастические суперсовременные приложения вроде автоматизированных фабрик и роботов. В большинстве стран эти направления почти не играют никакой роли из-за отсутствия технологической базы и должного общего уровня развития. С другой стороны, автоматизация необходима именно в слабо- и среднеразвитых странах для того, чтобы снизить потребление всегда ограниченных энергетических и материальных ресурсов, улучшить безопасность и эффективность промышленных производств, загрязняющих окружающую среду